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第47章 导航定位技术与地理信息系统(4)

TOA定位方式要求目标移动终端发射机在发射信号中加有发射时间戳,以便根据该信号到达基站的接收时间来确定信号的传播时间。TOA定位方式的精度取决于各基站和目标移动终端的时间的精度,以及各基站接收机和目标移动发射机时钟间的同步来实现精确的定位。若有1微秒的时钟精度差或同步误差将导致300米的定位误差。

TOA定位方式基于网络定位方案,其优点为使用现有蜂窝移动通信网络与移动终端,在市区定位精度较高;其缺点为要求精确的时间同步,要用时间戳区分信号的发射时间(增加上行链路数据量),其响应时间较长。但是,与下面要介绍的增强型观测时间差定位技术E-OTD不同的是,它没有使用位置测量单元,因此,必须通过与在基站上安装了全球卫星定位系统(GPS)或原子钟的无线网络之间的同步来实现。

(3)抵达角度(Arrival Of Angle,AOA)定位技术。

该技术根据信号到达的角度,确定移动台相对于基站的角度关系,只要测量一个移动台距两个基站的信号到达角度,就可以确定出移动台的位置。基站接收机利用基站天线阵列,通过对不同阵列所接受到的信号相位测算出目标移动终端电波入射角,从而构成一条从基站接收机到目标移动终端发射机间的径向连线(测位线),目标移动终端的二维坐标为两条测位线的交点。AOA定位方式基于网络定位方案,优点是改善了天线增益模式和话音质量,其缺点为,需要基站天线阵列的支持,每个基站需要4~12组的天线阵列,实现比较复杂,投资较大。

(4)抵达时间差异(Time Difference Of Arrival,TDOA)定位技术。

该定位技术是通过检测信号到达两个基站的时间差,而不是到达的绝对时间来确定移动台位置的,降低了对时间的同步要求。移动台定位于以两个基站为焦点的双曲线方程上。确定移动台的二维位置坐标需要建立两个以上双曲线方程,两条双曲线的交点即为移动台的二维位置坐标。由于这种定位技术不要求移动台和基站之间的同步,因此在误差环境下性能相对优越,在蜂窝通信系统的定位技术中备受关注。它也是基于网络的定位方案,优点是精度较高,实现容易。缺点是为了保证定时精度,需要改造基站设备。

2.基于移动终端的定位技术

基于终端的定位技术主要指移动终端计算出自己所处的位置。这种技术主要有GPS、A-GPS和E-OTD等几种。

(1)增强型观察时间差(Enhanced-Observed Time Difference,E-OTD)。E-OTD是通过放置位置接收器或参考点实现的,这些参考点分布在较广的区域内的许多站点上,作为LMU(Location Measurement Unit)以覆盖无线网络。每个参考点都有一个精确的定时源,当具有E-OTD功能手机和LMU接收来自至少3个基站信号时,从每个基站到达手机和LMU的时间差将被计算出来,这些差值可以被用来产生几组交叉双曲线,并由此估计出手机的位置。

E-OTD采用和TOA类似的无线信号传播时间测量技术和三角定位算法来确定手机终端的位置。所不同的是,终端由网络侧获得无线测量信号和辅助定位数据,由终端进行计算后再返回给网络一侧。

(2)A-GPS(AssistantGPS)。A-GPS有两种定位方式。

①手机辅助GPS定位方式。这种解决方案是将传统GPS接收器的大部分功能转移到网络处理器上实现。该方式需要天线、RF单元和数据处理器等设备。

GSM网向手机发送一串极短的辅助信息,包括时间、可视卫星清单、卫星信号多普勒参数和码相位搜索窗口。这些参数有助于内置GPS模块减少GPS信号获得时间。

辅助数据来自经手机GPS模块处理后产生的伪距离数据,且可持续数分钟。收到这些伪距离数据后, 相应的网络处理器或定位服务器能大致估算出手机的位置。GSM网增加必要的修正后,可提高定位精度。

②手机自主GPS定位方式。这种手机包含一个全功能的GPS接收器,具有①方式中手机的所有功能,再加上卫星位置和手机位置计算功能。运算开始时,需要的数据比手机辅助方式要多,这些数据能够持续4小时以上或根据需要进行更新,通常包括时间、参考位置、卫星星历和时间校验参数等。如果某些应用需要更高的精度,则必须持续(间隔约30秒)向手机发差分GPS(DGPS)信号。DGPS信号在非常宽的地域范围有效,以一个参考接收器为中心可服务于较宽的地域范围。最终位置信息由手机本身计算得到,若需要,此定位信息可发送到其他任何应用中。

3.混合定位技术

混合定位是定位技术发展的一个方向,混合定位结合两种或者多种定位技术的优点,使定位更加精确和可靠。它结合了基于网络的GPS定位技术和基于GPS的网络辅助定位技术的优点。在野外,可以利用GPS定位提供高精度的位置信息,同时网络侧可以提供辅助信息来缩短定位时间和提高定位精度;在城市,可以利用基站密集的优势,提供基于基站信号,或者GPS和基站信号混合的方式定位,实现在复杂环境下(如室内、城市高楼之间)的精确定位。

最直接的混合定位技术是A-GPS和Cell-ID的混合,在建筑物密集地区,Cell-ID可以弥补A-GPS的定位精度的不足,而且,因为Cell-ID可以用在拥有大量旧式终端的网络中,和A-GPS的混合,正好弥补了A-GPS在这一方面的不足。

4.定位方式的选择

以上介绍的几种移动通信定位技术,所能达到的定位精度不同,使用的环境不同、对终端和网络的要求也不同。在选择定位技术时,应根据各种定位技术的特点、不同的定位业务需求及终端和网络的实际情况,选取不同的定位技术方案。

二、GSM定位技术在物流管理中的应用

1.车辆实时监控调度

通过构建基于GSM的物流车辆实时调度管理系统可以实现车辆监控与调度,其工作过程为系统向网内所有GSM车载定位终端发出移动目标定位请求后,车载终端自动计算出自身所处的地理位置坐标,后经GSM通信机回传到GSM公用数字移动通信网,调度中心系统透过移动通信网络,将车辆坐标数据及其他数据还原后,与GIS系统的电子地图相匹配,即可在电子地图上直观地显示车辆实时坐标的准确位置。调度指挥中心自动间隔式地作移动目标定位,即可实时监控到车辆运行轨迹。在任意时间,调度中心都能查看到准确真实的区域内运力分布,以及车辆的运行状态。为物流企业做出高效能运力调度决策提供坚实保障。

2.实时货运派单

每家物流企业都希望缩短货物的处理周期,客户要求的运输时限也越来越短。如何在最短的时间内用最经济的车辆将货物起运。通过系统可实现强大的车辆查询调度功能,车辆调度指挥中心通过终端位置定位,准确查询到车辆当前所在地区位置,然后把当前位置区域内的货运需求信息,实时发到正处在该位置区域或离该位置最近的货运车辆GSM车载终端上,让司机无论跑到哪里,哪里就有货运需求。最大化程度提升整个车队的客户响应能力,降低车辆营运成本,从而提升客户满意度。

3.货运订单跟踪

“我的货到哪里了?”这是物流公司的客户服务人员经常要回答的客户问题,原来的办法是客服人员不断地给在途司机打手机,这样不但影响驾驶安全,产生高昂的通信费用,而且往往得不到货物的真实地理位置。由于对客户的反馈不及时和信息误导,造成客户的诸多不满,给企业形象带来了负面影响,无形中加重了企业的客户服务成本开销。

通过GSM车载终端,利用车辆调度指挥中心强大的移动目标位置定位查询功能,可为企业客服或直接客户提供该单货物真实客观的地理位置信息,以及跟此单货物相关联的其他更为详细的货物资料信息。高效快捷的响应客户多样化查询及货物管理请求,从而提升客户的满意度与忠诚度。

4.运输线路优化

在向司机下达货运调度信息的同时,系统通过GIS地理分析功能,在电子地图上测量出任意两点或多点的间距,即可帮助调度指挥中心在地图上找寻到车辆运输的最短路线。并实时向此货运司机反馈这一路径优化信息。不但让司机知道上哪能最快拉到货,而且能够让他们知道走什么路可最快到达目的地,最大化程度缩小车队的客户响应时间,提高生产率。营造出高效、快捷、准确周到的专业物流企业形象。

5.车辆反劫防盗,远程遥控

车载定位终端也可具有GSM网络汽车防盗报警功能。GSM汽车防盗反劫系统是利用GSM通讯网络的手机远程遥控的汽车智能高科技防盗报警系统。具有防盗反劫、远程报警、实时监控、防盗设定、防盗解除、碰撞报警、非法开门报警、非法启动报警、手机短信遥控、车辆区域定位等多种功能。

6.物流信息服务及货运车辆(人员)管理

信息管理分为信息服务和车辆(人员)管理两部分:在信息服务中,调度指挥中心可以实时向车辆司机提供城市或地区交通信息、线路咨询信息以及位置区域内的如银行、酒店、停车场等位置咨询服务信息;车辆资料管理内容除应涵盖车辆的基本信息(如车牌号、车辆类型、吨位、颜色、安全纪录、维修维护记录等)外,运用CRM(客户关管理管理)模式对货运车辆的客户服务行为(如客户的投诉管理、运输服务水平等)作出相应的系统管理,并可以此为各货运司机的绩效考评提供理论依据。

第三节地理信息系统

地理信息系统(Geographic Information System,GIS)是处理地理信息的系统。地理信息是指直接或间接与地球上的空间位置有关的信息,又称为空间信息。一般来说,GIS可定义为:“用于采集、存储、管理、处理、检索、分析和表达地理空间数据的计算机系统,是分析和处理海量地理数据的通用技术。”

地理信息系统萌芽于20世纪的60年代。20世纪70年代是地理信息系统走向实用的发展期,美国、加拿大、英国、西德、瑞典和日本等国对GIS的研究均投入了大量人力、物力和财力。20世纪80年代是GIS的推广应用阶段,由于计算机技术的飞速发展,在性能大幅度提高的同时,价格迅速下降,特别是工作站和个人计算机的出现与完善,使GIS的应用领域与范围不断扩大。20世纪90年代为GIS的用户时代,随着地理信息产业的建立和数字化信息产品在全世界的普及,GIS成为了一个产业,投入使用的GIS系统,每2~3年就翻一番,GIS市场的增长也很快。目前,GIS的应用在走向区域化和全球化的同时,已渗透到各行各业,涉及千家万户,成为人们生产、生活、学习和工作中不可缺少的工具和助手。与此同时,GIS也从单机、二维、封闭向开放、网络(包括WebGIS)、多维的方向发展。

一、GIS的构成

GIS主要由5部分构成:计算机硬件系统、软件系统、地埋空间数据系统、使用与管理人员(用户)和应用模型。其中,计算机硬件系统和软件系统提供了工作环境,地理空间数据是GIS应用优劣的核心,系统使用与管理人员决定了系统的工作方式,应用模型提供了解决专门问题的理论和方法。

1.计算机硬件系统

GIS的硬件系统一般由计算机与一些外围设备组成,其中特殊的是数据输入设备。因为地理信息系统中的数据都是数字式的,而系统外部的信息大部分是模拟式的(例如,地图、表格、影像等),因此必须通过模拟形式向数字形式的转换输入到系统内部。根据各种模拟形式的不同,其输入设备也多种多样,现在使用较多的有矢量数字化仪、图形扫描仪、遥感全球定位系统等。同样,输出设备也主要是一些能够显示或输出图形的设备,如图形终端显示器、绘图机、打印机、磁介质硬拷贝机、可擦写光盘以及多媒体输出装置等。它们以图形、图像、文件、报表等不同形式显示数据的分析处理结果。

2.计算机软件系统

GIS软件系统是GIS的核心组成,直接关系到GIS的功能。它主要有3部分,即GIS软件平台、应用系统和空间数据库。这里的软件平台主要处理数据的输入与转换、图形及文本编辑、数据存储与管理、空间查询与分析及数据输出与表达等;而应用系统是用于完成特定应用任务的,它与GIS软件平台紧密相连。应用系统作用于各类空间数据上,构成GIS的各种应用;空间数据库是GIS的重要组成部分,它是系统分析加工的对象,是GIS表达现实世界的内容。

事实上,GIS软件的主要功能是实现空间数据输入/输出管理、空间数据库管理、空间数据处理和分析以及专业应用模型。

3.地理空间数据

地理空间数据是地理信息系统的操作对象与管理内容。GIS必须建立在准确使用地理空间数据的基础上,因此地理空间数据也是GIS的重要组成部分。数据来自地图数字化、专业采集、遥感图像解析或从其他数据转换得到。数据的类型主要有两大类:空间数据和非空间的属性数据。

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